一种大型可展开天线结构频率调整技术研究

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摘 要： 对环形桁架可展开天线的振动问题提出了一种被动控制的方法，通过对环形桁架可展开天线施加预应力来改变环形天线第一阶固有频率，使之与激振频率错开，从而避免共振，使振幅减小，最终使振动自由衰减下来，达到抑制共振的目的。对预应力影响结构频率的原因进行了理论分析，计算了环形桁架可展开天线的带宽，对不同预应力加载方式下的环形天线的频率变化进行了仿真，最终确定了最佳的预应力加载方式。

关键词： 共振； 环形天线； 预应力； 带宽

中图分类号： TN82?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）11?0075?04

0 引 言

随着空间无线电技术的发展，大型空间结构的应用日趋广泛。其中大型空间可展开天线作为一种特殊的空间结构得到了越来越广泛的应用。

大型空间可展开卫星天线是近年内随着航天科技发展需求而诞生的一种新型空间构造物，它以高比强度、高比刚度、高几何稳定性、超低热胀系数等特点的宇航材料为主体，并包含低副可动机构接点、驱动元件和主动或被动控制器等。此类天线在地面发射时为收拢状态，固定在运载工具有效载荷舱内，当发射并进入轨道以后，由地面控制中心指令其在空间轨道上按设计要求，逐步完成展开动作，然后锁定并保持为工作状态。目前可采用的可展开天线形式有：花瓣型天线、伞状天线、缠绕肋天线、环柱天线、构架式天线和环形可展开天线[1]。

大型空间可展开天线具有挠度大、阻尼小、模态频率低且密集的特点[2]。在空间环境中受到低周扰动时容易引起结构的振动甚至共振，这不仅影响结构的正常工作，长期作用还会引起构件的疲劳和损伤。例如1996年，美国“斯巴达人”卫星因为振动使其天线朝一个方向翻滚，致使天线表面产生褶皱[3]。因此对大型空间可展开天线的振动进行抑制是十分有必要的。

1 环形天线

环形可展开天线是目前大型星载可展开天线理想的结构形式。环形天线口径可应用于6～150 m的范围，结构形式简单，在一定范围内口径的增大不会改变天线的结构形式，质量也不会成比例增加，环形桁架可展开天线主要由四部分组成：可展开的周边桁架、金属反射网面、柔性张力索网以及展开动力机构[4]。2000年12月5日发射的名为Thyraya卫星上的天线采用的就是这种形式[5]，具体结构如图1所示。

针对环形天线的低阶振动问题，2007—2010年间，中国空间技术研究院西安分院与西安交通大学合作研制出了一种双压电堆作动器，当环形天线产生低阶振动时，该作动器可激发环形天线做与振动方向相反方向的运动，进而达到振动抑制的目的。但该方法消耗能量较大，控制系统结构复杂且可靠性低，目前难以投入实际应用。本文针对环形桁架可展开天线的低阶振动问题，提出一种被动控制的方法，通过对环形天线施加预应力改变环形天线的第一阶频率，使之与激振力频率错开，从而避免环形天线的共振，最终使振动自由衰减下来，达到振动抑制的目的。